Etude numérique des effets de température dans les jets simples et coaxiaux

Numerical study of temperature effects in round and coaxial jets

• Auteur / Autrice : Guillaume Daviller
• Direction : Pierre Comte, Peter Jordan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jets d'air

Modèles acoustiques

Turbulence

Simulation des grandes échelles

Aéroacoustique

Mots clés libres

Simulation des grandes échelles

Simulation aéroacoustique

Bruit de jet

Turbulence

Kirchhoff

Lighthill

Mécanismes source

Energie acoustique

Résumé

Cette étude s'intéresse aux effets de température sur la turbulence et l'acoustique rayonnée de jets subsoniques, simples et coaxiaux. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par une approche de type Simulations des Grandes Échelles et les prévisions acoustiques en champ lointain sont obtenues à l'aide d'une méthode intégrale de Kirchhoff. Les mécanismes source d'un jet isotherme et d'un jet chaud, à nombre de Mach et de Reynolds identiques, sont étudiés à l'aide d'une décomposition azimutale en série de Fourier des termes sources du tenseur de Lighthill. Les principales différences observées sur la dynamique et l'acoustique d'un jet chaud sont liées à la contribution du terme d'entropie et l'émergence de modes d'ordre supérieur. On montre que le terme d'entropie et le terme linéaire traduisant les interactions entre l'écoulement moyen et les fluctuations de densité, ont une distribution spatiale similaire en terme d'énergie et de fréquence. Les simulations de jets coaxiaux concentriques ont révélé que le bruit rayonné pour de faibles angles est dominé par les appariements tourbillonnaires entre les couches de mélange primaire et secondaire, lorsque le jet central est chauffé. Finalement, une méthode de décomposition d'un écoulement en partie hydrodynamique et acoustique est appliquée sur un modèle d'écoulement simplifié, représentatif de la structure spatio-temporelle d'un jet. On met en évidence que la contribution du terme source hydrodynamique est dominante et que la turbulence est responsable du transport vers le champ lointain des fluctuations acoustiques.

This thesis investigates temperature effects on subsonic turbulent single-stream and dual-stream jets and their far-field acoustic signature. The full compressible Navier-Stokes equations are solved using Large-Eddy Simulation, and open Kirchhoff's surface integral method is used to extend the acoustic prediction to far-field location. In order to study sound source mechanisms of isothermal and heated jets, at the same Mach and Reynolds numbers, Lighthill's tensor source terms are decomposed in Fourier modes in the azimuthal direction. The main features in the modal structure of a heated jet are the entropy term contribution and the importance of the relative energy contained in higher order modes. We show that the entropy term and the linear density fluctuation term have a similar behaviour in the near-field, for both the spatial distribution of the energy and the frequency dependence. For the dual-stream jets, heating the primary jet leads to a vortex pairing between the inner and outer shear layers. Sound radiated in the downstream direction is shown to depend appreciably on this phenomenon. Finally, we proposed some model problems to test the performance and utility, in terms of the physical insight which is provided, of an energy corollary, based on Helmholtz decompositions of both linear momentum and velocity. We show it is possible to identify the different flow processes (source mechanisms) which lead to the transport of fluctuation energy, as well as the physical mechanisms by which that fluctuation energy is transported away from the source region as propagating sound energy.